走航式聲學多普勒流速儀適應性研究.docx

1、文章編號：1007-7596(2014)07-0019-03走航式聲學多普勒流速儀適應性研究李世強(黑龍江省水文局，哈爾濱150001)摘要:走航式聲學多普勒流速儀能夠提高流量測臉工作效率，但是其設計應用環(huán)境與我國內陸河流情況不能完全相適應，一定程度上影響測流精度。黑龍江省水文局開展了一系列實驗研究,逐步解決出現(xiàn)的問題，努力減小設備測驗誤差，提高工作效率。關鍵詞:ADCP；GPS；比測實驗；比測環(huán)境中圖分類號:P335文獻標識碼:B收稿日期2014-02-10作者簡介李世強(1982-),男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士。前言河流流鼠測驗是水文測驗最主要的項目之一。防汛抗旱和水資源管理工作對水

2、文測驗工作提出了更高的要求。傳統(tǒng)的河流流量測驗是在測流斷面上布設多條垂線，算出垂線平均流速，進而得到斷面面積和斷面平均流速。流量則由斷面面積與斷面平均流速的乘積得到。這種方法需要多人熟練配合，耗時長。AcousticDopplerCurrentProfiler通常譯為聲學多普勒水流剖面儀,縮寫為ADCPOADCP測量船從河流某斷面一側航行至另一側時，就能即刻計算出河流流量，比傳統(tǒng)的流速儀法效率提高數(shù)倍，遇洪水時更能凸顯ADCP快速測流的優(yōu)勢。黑龍江省水文局先后從SonTeck和RDI公司引進多套ADCP測流設備。各測站經過幾年的應用，該設備基本實現(xiàn)了預期功能，并應用到日常測流工作中。山于黑龍江

3、省境內各河流匯流情況復雜、氣象情況多變,河流特性多樣等原因，ADCP在使用過程中逐漸暴露出一些問題。為了解決這些問題，提高流量:測驗精度,提升測驗設備長期使用的可靠性和適用性，挖掘現(xiàn)有設備潛能，黑龍江省水文局監(jiān)測處將ADCP測驗設備使用過程中遇到的和可能遇到的問題進行搜集整理,通過實驗分析和解決問題。1對比測試實驗當河底泥沙含量較大時，會影響ADCP對河底深度的測量精度，對于測船行進速度的測址也會出現(xiàn)偏差，導致流域測址結果偏小。為了減小河底泥沙對測流精度的影響，通過比測實驗找出減小影響的方法。比測實驗包括3個部分:不同頻率ADCP之間比測.ADCP與外接設備兼容性和ADCP外接設備的測流結果。

4、1.1不同頻率ADCP比測實驗1.1.1比測環(huán)境2010年8月16日，松花江干流受降水和上游來水影響流量增大，上游地區(qū)子堤潰堤，造成箏源斷面泥沙含量:增大。理論上不同工作頻率的ADCP對河底泥沙的穿透能力不同，頻率高的設備更容易出現(xiàn)丟底的現(xiàn)象，而頻率低的設備穿透能力更強能夠保證探測到河底深度。比測實驗選用工作頻率為1.5MHz和600kHz的兩款ADCP進行實驗，以此來驗證不同頻率的ADCP在汛期漲水階段的測流能力。1.1.2比測結果高頻ADCP測量結果見圖1。從航跡圖中可以看出，中段區(qū)域流速最大，有流速異常情況；從斷面剖面圖中可以看出，水深最大處附近,底跟蹤情況出現(xiàn)異常，有3個以上工作剖面數(shù)

5、據損壞，根據聲學多普勒流量測驗規(guī)范(SI337-2006)本次測驗數(shù)據無效。低頻ADCP測址結果見圖2。從航跡圖中可以看出，全剖面流速變化均勻，無異常情況；從斷面剖面圖中可以看出，水深數(shù)據無異常，底跟蹤正常測量數(shù)據有效。從高頻ADCP與低頻ADCP比測結果來看，在泥沙含ht較大的情況R低頻設備相對高頻設備更具適應性，測址精度更高。比測結果見表1。圖1高頻ADCP測流結果圖2低頻ADCP測流結果表1高頻ADCP與低頻ADCP比測數(shù)據水位流必”日期時間/m尚頓AMP低筍ADCP8月16H11：48：00127.824150.74395.991.2設備兼容性實驗1.2.1硬件連接當ADCP無法測得河

6、底深度并利用底跟蹤模式測得測船速度時，需要外接測深儀和GPS得到深度和速度數(shù)據。因此,驗證ADCP與外接設備的通訊能力是十No.7.2014（TotalNo.42）分必要的，結合黑龍江省水文局現(xiàn)有設備，將高頻、低頻ADCP和GPS、測深儀設備分別進行數(shù)據通訊實驗°數(shù)據通訊試驗內容包括數(shù)據傳輸和測辱精度2個方面。測流設備、GPS和測深儀分別通過RS232接口與電腦連接。試驗以高頻ADCP和低頻ADCP為核心設備分兩組進行，分別連接GPS設備和測深設備。GPS設備可以為RiverSurveyor程序（高頻ADCP設備測ht程序）和WinRiver程序（低頻ADCP測址程序）提供航線信息，

7、包括位骨、速度和時間等信息，程序可以計算出測船航行的速度和方向。測般程序具備連接外置GPS的功能，GPS設備可以與高頻ADCP和低頻ADCP設備協(xié)同工作?；芈暅y深儀可以為測ht程序提供水深數(shù)據.程序中同樣具備外肯測深儀的連接功能。通過設置通訊參數(shù)，ADCP與GPS和測深儀可以進行數(shù)據通訊,數(shù)據格式滿足測流軟件計算要求。ADCP與GPS和測深儀設備連接參數(shù)見表2。表2ADCP與GPS和測深儀設備連接參數(shù)AMADCP修HADCPCPS設備焉洋設備GPS設備醐胞備RS232RS232KS232KS232傳曾裕式NMEAOI83NMU0I83NME.WIK3NMLW183M申GPCGA/(；mGIDB

8、TGPCCjVGPVIX；SDBT波特率4009600IIS200115200斜f鏢率IHinulibIHx通過連接試驗，高頻ADCP和低頻ADCP均可以與兩種GPS設備和測深設備進行通訊,GPS數(shù)據能夠實時發(fā)出，信號質址穩(wěn)定，傳輸速度正常，可以為測量程序提供有效數(shù)據。在完成數(shù)據傳輸試驗的基礎上進行測質精度試驗.GPS設備可以提供3種測/模式分別提供導航模式，差分模式和RTK模式，即米級、分米級和厘米級精度。根據聲學多普勒流ht測驗規(guī)范（SL337-2006）要求，外接GPS提供的數(shù)據精度不能低于差分精度.也就是說差分模式和RTK模式的數(shù)據精度才能滿足ADCP測流要求。ADCP與GPS數(shù)據通訊

9、精度測試結果表3。表3ADCP與GPS數(shù)據通訊精度測試結果測毋模式高頻ADCP低頻ADCP裸卡GPS天寶GPS南方CPS徒卡CPS天寶GPS南方CPS導航模式（米級）不足不滿足不,足不漪足不滿足不滿足差分模式（分米級）滴足不滿足潢足漪足不清足潺足RTK模式（屋米圾）清足滿足滿足潢足滿足潸足由表3可知，導航模式下的數(shù)據精度不能滿足ADCP測流要求，天寶GPS不具備接收靜止衛(wèi)星差分信號的功能，同樣不能測流要求;彼卡和南方GPS的主機能夠接收靜止衛(wèi)星發(fā)送的差分信號，因此滿足測流要求,3個品牌GPS在RTK模式下的數(shù)據精度同樣可以滿足測流要求。1.3設備組合比測分析比測實驗分兩組進行，第一組是高頻AD

10、CP與天寶GPS連接，ADCP采用底跟蹤模式，GPS采用RTK模式；第二組是低頻ADCP與探卡GPS連接,ADCP采用底跟蹤模式,GPS采用差分模式。第一組實驗結果見表4,第二組實驗結果見表5,兩組比測實驗數(shù)據結果見表6。表4高頻ADCP底跟蹤與外接GPS比測數(shù)據測次文件名稱開始時閭-流量底跟蹤RTK模式差依hzlOO82416lO16:11:2137083900192hzl00824!62216:23：2136593781122hil00824l63416：35：253792387280hzl00824164616：46:513718383()112均值37193836117表5低頻ADCP

11、底跟蹤與彼卡差分模式比測數(shù)據測次文件名稱開始時間燧跟蹤差分模式差僚I1KB200011:11:3430673344277IIKB200111：22：4431003402302HRB200211：37:2631593403244HRB2OO311:48:1730293350321均值30893375286表6兩組比測實驗數(shù)據結果Zk的修正比例7Tm底跟蹤外接CPS第m371938361173.1%第二/a308933752869.3%通過比測實驗數(shù)據可知，通過外接GPS獲得船速能夠對存在走底現(xiàn)象造成的流量數(shù)據偏小的情況能夠進行修正。由于試驗樣本數(shù)量不足，只能定性分析測流數(shù)據，不能得出確定具體修正

12、數(shù)據。因此還需要進行大量的實驗進行分析。2結語結合高頻ADCP和低頻ADCP外接GPS比測試驗的結果可以看出以下3點：1）在存在走底現(xiàn)象的測驗斷面，高頻設備與低頻設備均會受到走底現(xiàn)象的干擾，導致測量結果偏小,但低頻設備對走低現(xiàn)象適應性更好，在沒有其他設備輔助的情況下，可以選擇低頻設備減少測驗誤差。2）外接GPS設備后，能夠對測量結果進行一定的修正，由于試驗樣本數(shù)量不足，僅能進行定性說明可以修正。3）對于不同的水位基、水沙關系、水位流址關系和斷面沖淤情況，還需要進行大量、詳細的比測試驗,才能夠準確修正走底現(xiàn)在帶來的測量誤差，提高ADCP測驗準確性。參考文獻：1田淳.聲學多普勒測流原理及其應用M.鄭州：黃河水利出版社,2003:36-39.2料貫中，蔣建英.陳望琴.走航式聲學多普勒流速儀流械測驗過程控制方法M.北京：中國